FR2938180A1

FR2938180A1 - Total knee prosthesis placement assisting system for patient, has processing units processing three records and record of articulation center of ankle to determine reference plane whose perpendicular is parallel to transepicondylar line

Info

Publication number: FR2938180A1
Application number: FR0806313A
Authority: FR
Inventors: Marc Boulate
Original assignee: Amplitude SAS
Current assignee: Amplitude SAS
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-14
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: FR2938180B1

Abstract

The system has a computer unit for processing information. A display unit displays data or information acquired, recorded and/or calculated by the computer unit. Processing units process record of articulation center of an ankle and three records corresponding to an internal edge (30) of an anterior tibial tuberosity (TTA), to a center (CG) of a tibial spines and to foot (P) of posterior cruciate ligament, respectively for determining a reference plane (PR). The normal of the reference plane is parallel to a transepicondylar line (L').

Description

La présente invention concerne un système d'aide ou d'assistance à la pose d'une prothèse totale de genou (PTG). ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La mise en place d'une prothèse totale du genou doit satisfaire un certain nombre d'exigences qui sont notamment la restauration de l'alignement en extension des trois points que sont le centre de la rotule de la hanche, le centre du genou et le centre de la cheville, la stabilité en flexion et en extension de l'articulation et un placement correct du système extenseur (glissement harmonieux de la rotule dans la gorge patellaire de la prothèse). Les défauts de positionnement en rotation du com- posant fémoral de la prothèse par rapport au composant tibial induisent des déséquilibres ligamentaires et des défauts cinématiques fémoro patellaires. Les PTG actuellement disponibles proposent une instrumentation qui n'empêche pas ces malpositions dont la fréquence varie entre 10 et 30 % des cas. La littérature spécialisée sur cette question considère de manière majoritaire que la ligne qui passe par les épicondyles (transépicondylienne) constitue une approximation acceptable de l'axe géométrique de l'articulation fémur / tibia. Cette ligne pourrait constituer une référence intéressante pour la reconstruction de l'articulation. Il est cependant très difficile de l'acquérir avec précision pendant la phase opératoire pour pouvoir en constituer une donnée exploitable par un système d'intervention chirurgicale assistée par ordinateur. Certains praticiens considèrent que cet axe forme un angle moyen de 3° avec la ligne intercondylienne et appliquent cette rotation systématique (vers l'extérieur) au composant fémoral de la prothèse. Il s'avère que cette approche n'est pas satisfaisante car la valeur de cet an- gle est très dispersée d'un sujet à l'autre pour qu'une valeur moyenne appliquée systématiquement soit un bon compromis. En outre, l'inventeur a constaté que l'articulation à restaurer est bien souvent le siège de contraintes et d'efforts qui ont conduit au fil du temps à des déformations ou des déplacements non négligeable relatifs des tibia et fémur, notamment en rotation, qui influencent la cinématique de l'articulation. Des acqui- sitions par imagerie de cette géométrie et cinématique ne rendent pas toujours compte de ces déformation ou dépla- cements dont on constate l'existence en cours d'intervention alors que le jeu du système ligamentaire sur la géométrie et la cinématique de l'articulation a été modifié. Il s'ensuit qu'une assistance informatique de l'acte chirurgical fondée sur ces acquisitions pré-opératoires n'est pas tout à fait à même de conduire à une bonne restauration. Il existe aujourd'hui un besoin mal satisfait d'aide au placement correct des deux éléments prothétiques d'une prothèse totale de genou, respectivement sur le fémur et le tibia pour que la cinématique fémoro patellaire soit la plus harmonieuse possible et pour que l'équilibre ligamentaire de l'articulation soit respecté tant en extension qu'en flexion. C'est un des buts de l'invention que d'offrir au chirurgien un système d'assistance à la pose de ces deux éléments conduisant à une reconstruction de l'articulation du genou dans laquelle les malpositions en rotation des composants de la prothèse sont évitées. OBJET DE L'INVENTION A cet effet, l'invention est partie de différents travaux pour pouvoir identifier un référentiel qui soit commun au tibia et au fémur et qu'il est aisé de définir pendant l'intervention à l'aide d'une procédure d'acquisition de la géométrie des extrémités fémorales et tibiales articulées. C'est alors dans ce référentiel commun qu'un programme de coupes osseuses est proposé pour obtenir un équilibre ligamentaire de l'articulation pro- thésée et un fonctionnement optimisé du système extenseur naturel en coopération avec les éléments de la prothèse. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a donc pour objet un système d'aide ou d'assistance à la pose d'une prothèse to- tale de genou sur un patient, comportant un appareil de navigation pour chirurgie orthopédique comprenant: - une unité informatique de traitement d'informations, - des moyens d'observation d'une partie détermi- née de l'espace, - des moyens de marquage d'un ou plusieurs objets logés dans cet espace, reconnus et repérés par les moyens d'observation dans ledit espace pour constituer des moyens d'acquisition de données pour l'unité informati- que, - des moyens d'affichage de données ou d'informations acquises par l'unité informatique et/ou enregistrées dans celle-ci et/ou calculées par celle-ci et - des moyens de commande de l'unité informatique, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition transmettent à l'unité informatique trois relevés correspondant respectivement au bord interne de la tubérosité tibiale antérieure, au centre des épines tibiales et au pied du ligament croisé postérieur (définissant la ligne dite d'Akagi) et en ce que cette unité informatique dé-termine à partir de ces relevés et de celui du centre de l'articulation de la cheville un plan de référence dont toute perpendiculaire est parallèle à la ligne transépicondylienne. The present invention relates to a system for assisting or assisting the installation of a total knee prosthesis (TKA). BACKGROUND OF THE INVENTION The establishment of a total knee prosthesis must meet a number of requirements which include the restoration of the alignment in extension of the three points which are the center of the hip patella, the center of the knee and the center of the ankle, the stability in flexion and extension of the joint and a correct placement of the extensor system (smooth sliding of the patella in the patellar groove of the prosthesis). The rotational positioning defects of the femoral component of the prosthesis with respect to the tibial component induce ligament imbalances and patellar patellar femoral defects. The currently available PTGs propose an instrumentation that does not prevent these malpositions whose frequency varies between 10 and 30% of cases. The specialized literature on this question mainly considers that the line that passes through the epicondyles (transepicondylar) is an acceptable approximation of the geometric axis of the femur / tibia joint. This line could be an interesting reference for the reconstruction of the joint. However, it is very difficult to acquire it accurately during the operative phase to be able to constitute exploitable data by a system of computer-assisted surgical intervention. Some practitioners consider that this axis forms an average angle of 3 ° with the intercondylar line and apply this systematic rotation (outwardly) to the femoral component of the prosthesis. It turns out that this approach is not satisfactory because the value of this angle is very dispersed from one subject to another so that an average value applied systematically is a good compromise. In addition, the inventor has found that the joint to be restored is often the seat of stresses and efforts that have led over time to significant deformations or shifts relative tibia and femur, especially in rotation, which influence the kinematics of the joint. Imaging acquisitions of this geometry and kinematics do not always account for these deformations or displacements, which are found in the course of intervention, while the play of the ligament system on the geometry and kinematics of the articulation has been modified. It follows that a computer assistance of the surgical act based on these pre-operative acquisitions is not quite able to lead to a good restoration. There is today an unmet need for assistance in the correct placement of the two prosthetic elements of a total knee prosthesis, respectively on the femur and tibia, so that patellofemoral kinematics are as harmonious as possible and that the ligament balance of the joint is respected both in extension and flexion. It is an object of the invention to provide the surgeon with a system for assisting the placement of these two elements leading to a reconstruction of the knee joint in which the malpositions in rotation of the components of the prosthesis are avoided. OBJECT OF THE INVENTION To this end, the invention is part of different works to be able to identify a repository that is common to the tibia and femur and that it is easy to define during the procedure using a procedure acquisition of the geometry of articulated femoral and tibial extremities. It is then in this common reference system that a program of bone cuts is proposed to obtain a ligament balance of the prosthetic joint and an optimized operation of the natural expander system in cooperation with the elements of the prosthesis. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention therefore relates to a system for assisting or placing a total knee prosthesis on a patient, comprising a navigation device for orthopedic surgery comprising: computer unit for processing information, - means for observing a determined part of the space, - means for marking one or more objects housed in this space, recognized and identified by the means of observation in said space for constituting data acquisition means for the computer unit; means for displaying data or information acquired by the computer unit and / or recorded in it and / or calculated by the latter and - control means of the computer unit, characterized in that the acquisition means transmit to the computer unit three records respectively corresponding to the inner edge of the anterior tibial tuberosity, cent tibial spines and at the foot of the posterior cruciate ligament (defining the so-called Akagi line) and in that this computer unit determines from these readings and from that of the center of the ankle joint a plan of reference of which any perpendicular is parallel to the transepicondyline line.

Le chirurgien dispose alors d'un référentiel uni- que pour le tibia et pour le fémur puisqu'à partir de relevés reproductibles, fiables et précis effectués sur le tibia, il connaît la direction de l'axe théorique de rotation du tibia par rapport au fémur. The surgeon then has a unique reference system for the tibia and the femur since, from reproducible, reliable and precise readings made on the tibia, he knows the direction of the theoretical axis of rotation of the tibia with respect to the femur.

La technique chirurgicale reste par ailleurs pratiquement identique à celle aujourd'hui couramment pratiquée à l'ide d'un système de navigation (chirurgie naviguée). En effet, le chirurgien procède à la résection tibiale à la hauteur qu'il choisit en tenant compte notam- :LO ment des propositions du système élaborées à partir des relevés effectués pendant l'intervention. Il met en place en suite un fantôme du plateau de l'embase tibiale qui doit recevoir le plateau mobile de sorte que, quand le chirurgien estime que ce plateau est dans sa position op- 15 timale - par exemple lorsqu'il estime que la couverture osseuse par cette embase est satisfaisante, il (ou l'appareil de navigation) peut apprécier l'angle que forme avec le plan de référence, la ligne transversale médiane qui partage l'embase en deux demi embases égales 20 et qui correspond à la projection sur cette embase de la ligne qui représenterait la ligne d'Akagi du plateau de polyéthylène. Cet angle lui donnera la valeur de l'angle de rotation qu'il doit donner au composant fémoral de la prothèse. Ainsi, l'axe transépicondylien de 25 l'articulation prothésée sera-t-il perpendiculaire au plan de référence fourni par le système d'assistance selon l'invention. Il pourra alors procéder aux coupes osseuses du fémur qui seront toutes perpendiculaires à ce plan de ré- 30 férence donc parallèles à l'axe transépicondylien. Le chirurgien procédera ensuite aux ajustements médio-latéraux du composant fémoral nécessaires au respect de la trajectoire anatomique de la rotule dans la gorge trochléerine de la partie patellaire de la prothèse. 35 Il s'ensuit que l'équilibre ligamentaire de l'articulation prothésée est respecté et que la position de la partie çatellaire de l'implant fémoral peut être adaptée simplement à la trajectoire naturelle de la rotule. The surgical technique remains virtually identical to the one currently practiced with the idea of a navigation system (navigated surgery). In fact, the surgeon performs the tibial resection at the height he chooses, taking into account, in particular, the system proposals drawn up from the readings taken during the procedure. He then sets up a phantom of the tray of the tibial base which is to receive the movable tray so that, when the surgeon estimates that this tray is in its optimal position - for example when he estimates that the cover bone by this base is satisfactory, it (or the navigation device) can appreciate the angle that forms with the reference plane, the median transverse line that shares the base in two equal half-bases 20 and which corresponds to the projection on this base of the line that would represent the Akagi line of the polyethylene tray. This angle will give him the value of the angle of rotation that he must give to the femoral component of the prosthesis. Thus, the transepicondylar axis of the prosthetic joint will be perpendicular to the reference plane provided by the assistance system according to the invention. It may then proceed to the bone sections of the femur which will all be perpendicular to this plane of reference and therefore parallel to the transepicondylar axis. The surgeon will then make the medio-lateral adjustments of the femoral component necessary to respect the anatomical trajectory of the patella in the trochlearin throat of the patellar portion of the prosthesis. It follows that the ligament balance of the prosthetic joint is respected and that the position of the satellite part of the femoral implant can be adapted simply to the natural trajectory of the patella.

Le chirurgien pourra simuler toutes ces coupes avec le système d'assistance de l'invention et simuler la mise en place d'implants connus. Il constatera que, tant pour l'implant tibial dont le centre sera contenu dans le plan de référence que pour l'=implant fémoral, parfois, 1.0 pour satisfaire le système d'assistance selon :L'invention, il peut être amené à placer ces composants dans des positions telles que la couverture osseuse obtenue sera différente de celle à laquelle il est habitué et peut--être inacceptable. 15 C'est pourquoi l'invention conduira vraisemblablement à la conception d'une nouvelle génération d'implants qui présenteront une dissymétrie beaucoup plus accentuée que celle qu'ils présentent actuellement. D'autre3 caractéristiques et avantages de 20 :L'invention ressortiront de la description donnée ci- après d'un exemple de réalisation de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels . 25 - la figure 1 est une vue schématique du système mis en oeuvre selon l'invention - la figure 2 est une vue de dessus schématique d'un genou en extension sur laquelle on a représenté la trace du plan de référence déterminé par le système 30 d'assistance de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En se reportant à la figure 1, la station de navigation représentée comporte une unité informatique 1 en façade de laquelle est disposé un écran d'affichage 2. 35 Cette unité est solidaire d'un bâti 3 qui, dans le cas de la figure, comporte deux cadres latéraux 3a et 3b formant en partie inférieure, les pieds de la station et en partie supérieure, des poignées pour son transport. Ces cadres latéraux sont reliés entre eux et à une colonne 4 télescopique située à l'arrière de l'unité informatique 1, représentée dans son état de service. Au sommet de cette colonne, la station de navigation comporte une uni-té 5 d'observation d'un champ opératoire sous la forme d'un boîtier 6 relié à la colonne 4 par une articulation du genre rotule. L'orientation du boîtier 6 par rapport à la colonne 4 est effectuée au moyen de poignées 7 de réglage qui permettent au chirurgien d'orienter le boîtier 6 dans la direction qui l'intéresse et, au moyen d'organes appropriés 8, qui actionnés permettent de déverrouil- ler l'articulation et qui, au repos, la verrouille l'orientation du boîtier une fois réglée. Pour aider à cette orientation, le boîtier 6 comporte un émetteur 9 de faisceau laser formant pointeur. Aux extrémités latérales du boîtier 6, les moyens d'observation du champ opératoire possèdent des émetteurs récepteurs de télémétrie infrarouge 10 grâce auxquels tout objet placé dans le champ d'observation est reconnu et repéré. Cette reconnaissance et ce repérage sont obtenus de manière connue grâce à des marqueurs qui sont solidaires de l'objet, ces marqueurs étant constitués par exemple par des réflecteurs sphériques des signaux infrarouges émis par les moyens d'observation 5. Un palpeur 20 avec une poignée de manipulation 21 et une pointe active 22 est équipé de trois réflecteurs infrarouges fixes 23, 24 et 25. Lorsque ces réflecteurs 23, 24 et 25 sont dans le champ d'observation de la station de navigation, l'unité informatique connaît les coordonnées de la pointe 22 dans le repère de ce champ. The surgeon will be able to simulate all these cuts with the assistance system of the invention and simulate the placement of known implants. He will note that, both for the tibial implant whose center will be contained in the reference plane and for the femoral implant, sometimes 1.0 to satisfy the assistance system according to: The invention, it may be necessary to place these components in such positions that the bone coverage obtained will be different from that to which he is accustomed and perhaps unacceptable. This is why the invention will probably lead to the design of a new generation of implants which will have a much greater dissymmetry than they presently have. Other features and advantages of 20: The invention will emerge from the description given below of an exemplary embodiment of the invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Reference will be made to the accompanying drawings, among which. FIG. 1 is a schematic view of the system used according to the invention; FIG. 2 is a diagrammatic plan view of an extended knee on which the trace of the reference plane determined by the system is shown; of assistance of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Referring to FIG. 1, the navigation station shown comprises a computer unit 1 on the front of which is disposed a display screen 2. This unit is integral with a frame 3 which, in the case of the figure, comprises two side frames 3a and 3b forming in the lower part, the feet of the station and in the upper part, handles for its transport. These side frames are interconnected and a telescopic column 4 located at the rear of the computer unit 1, shown in its state of service. At the top of this column, the navigation station comprises a uni-té 5 observation of a surgical field in the form of a housing 6 connected to the column 4 by a ball joint type. The orientation of the housing 6 with respect to the column 4 is effected by means of adjustment handles 7 which enable the surgeon to orient the housing 6 in the direction of interest and, by means of appropriate members 8, which are actuated unlock the articulation and, when it is at rest, locks the orientation of the housing once set. To assist in this orientation, the housing 6 includes a laser beam emitter 9 forming a pointer. At the lateral ends of the housing 6, the observation field of the operating field has infrared telemetry transmitters 10 by which any object placed in the field of observation is recognized and spotted. This recognition and this marking are obtained in known manner thanks to markers which are integral with the object, these markers being constituted for example by spherical reflectors of the infrared signals emitted by the observation means 5. A probe 20 with a handle 21 and an active tip 22 is equipped with three fixed infrared reflectors 23, 24 and 25. When these reflectors 23, 24 and 25 are in the field of view of the navigation station, the computer unit knows the coordinates of the tip 22 in the reference of this field.

S'il s'agit, dans le programme de navigation, d'une rou- 7 fine d'acquisition des coordonnées d'un certain nombre de points pour par exemple définir la forme et la position d'un os ou d'un membre dans le champ observé, il convient Lorsque chacun de ces points sont contactés par le pointe 22, d'en relever les coordonnées au moyen d'une commande particulière de la station de navigation. Grâce à cette station, le système de l'invention peut relever toues les données dont il a besoin pour dé-terminer un plan de référence unique, celui représenté à la figure 2. Comme dans toute pose de prothèse assistée par un système de navigation, Le centre de la hanche est calculé par des mouvements de circumduction du membre. La détermination du centre de la cheville est faite par l'acquisition d'un point sur la malléole interne et d'un point sur la malléole externe. Le centre CG du genou est au début déterminé par le centre des épines tibiales. On procède également au relevé de la géométrie du plateau supérieur du tibia T et de trois points spécifi- ques pour le système de l'invention : - le bord interne 30 de la tubérosité antérieure de ce dernier TTA, - le centre CG du genou qui est le centre des épines tibiales et - le pied P du ligament croisé postérieur. On dispose ainsi de l'orientation antéropostérieure du plan de référence unique PR qui passe par ces trois points e: coupe la partie supérieure du tibia T selon une trace L, appelée ligne d'Akagi. Ce plan passera, également, par l'articulation de la cheville. L'anatomie veut. que ce plan passe également par l'articulation de la hanche, aux ajustements près qui sont de l'initiative du chirurgien et sur lesquels il intervient en choisissant l'épaisseur du plateau de polyéthylène interposé entre chaque condyle de la pièce fémorale et la pièce tibiale. If it involves, in the navigation program, a quick acquisition of the coordinates of a certain number of points, for example to define the shape and position of a bone or limb. in the field observed, it is appropriate when each of these points are contacted by the point 22, to find the coordinates by means of a particular command of the navigation station. With this station, the system of the invention can collect all the data it needs to determine a single reference plane, the one shown in Figure 2. As in any prosthesis application assisted by a navigation system, The center of the hip is calculated by circumduction movements of the limb. The determination of the center of the ankle is made by the acquisition of a point on the medial malleolus and a point on the external malleolus. The CG center of the knee is initially determined by the center of the tibial spines. The geometry of the upper plateau of the tibia T and three points specific to the system of the invention are also recorded: the inner edge of the anterior tuberosity of the latter TTA, the center CG of the knee which is the center of the tibial spines and - the foot P of the posterior cruciate ligament. We thus have the anteroposterior orientation of the single reference plane PR which passes through these three points e: cuts the upper part of the tibia T along a trace L, called the Akagi line. This plan will pass, also, by the articulation of the ankle. Anatomy wants. that this plan also passes by the articulation of the hip, with the adjustments which are of the initiative of the surgeon and on which it intervenes by choosing the thickness of the plate of polyethylene interposed between each condyle of the femoral part and the tibial part .

On constate que ce plan PR est perpendiculaire à la ligne L' (transépicondylienne) qui passe par les épi-condyles EP1 et EP2 du fémur F. It can be seen that this plane PR is perpendicular to the line L '(transepicondylienne) which passes through epi-condyles EP1 and EP2 of the femur F.

Claims

REVENDICATIONS1. System for assisting the fitting of a total knee prosthesis on a patient, comprising a navigation device for orthopedic surgery comprising: - an information processing computer unit (1), - observation means (5) a defined part of the space, - marking means (23,24,25) of one or more objects housed in this space, recognized and identified by the observation means (5) in said space for constituting data acquisition means for the computer unit, - display means (2) of data or in-formations acquired by the computer unit and / or recorded therein and / or calculated by it and control means of the computer unit, characterized in that the computer unit (1) comprises means for processing three readings made by the acquisition means, respectively corresponding to the Internal border (30) of the anterior tibial tuberosity (ATT), in the center (CG) of the tibial and foot spines (P) of the posterior cruciate ligament (defining the so-called Akagi line) and of the center of the ankle joint, to determine a reference plane (PR) of which any perpendicular is parallel to the transepicondylar line (L ').